HCl aptikimas Alba Mons: požeminio šilumos pėdsakai Marse

Alba Monso šiaurinėse šlaituose į ploną Marso orą tyliai išsiskiria kažkas. Tai ne lava. Ne pelenai. Tik kelios molekulės, kurios Žemėje paprastai rodo po paviršiumi esančią karštą uolieną.

Ši nuotrauka rodo Alba Monso vulkano šiaurines šlaitas plačiame kontekste. Balta piktograma nurodo arčiau priartintos nuotraukos vietą, panaudotą šiame pasakojime. 

Mažos molekulės, didelės pasekmės

Vandenilio chloridas, HCl, yra nedidelė planetų atmosferų sudedamoji dalis, bet reikšminga. Žemėje jis dažnai išsiskiria iš aktyvių magminių sistemų. Kai ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) pirmą kartą užfiksavo lokalizuotus HCl šuolius virš Alba Mons, signalas buvo labai mažas ir trumpalaikis. Tačiau jis vėl pasirodė maždaug tuo pačiu metų laiku paeiliui. Toks pasikartojimas pakeitė smalsumą į mokslinį galvosūkį.

Kodėl verta kreipti dėmesį į kelias dalis vienam milijardui halogeninio dujų? Todėl, kad Marse kontekstas yra svarbus. Aptikimai sutampa su neseniai atsivėrusiais plyšiais kalno šlaite ir su sezoniniu ledo nykimu. Sudėjus užuominas, kyla tikėtina versija: požeminė šiluma, užrakintos dujos ir sezoninis vožtuvas, atsiveriantis, kai išgaruoja šalčio sluoksnis.

Kaip buvo padarytas atradimas

TGO neša infraraudonųjų spindulių spektrometrų rinkinį, skirtą aptikti pėdines rūšis Marso plonoje atmosferoje. Du instrumentai, ACS ir NOMAD, naudoja saulės okliudacijos metodus. Jie stebi saulės šviesą praeinančią per atmosferą auštant arba leidžiantis saulei ir nuskaityti cheminius pirštų atspaudus, paliktus šioje šviesoje. Ši technika sukuria itin jautrius vertikalius profilius, bet matuoja tik siauras spindules judančio orbitinio zondo trajektorijoje.

Alba Mons atveju Atmospheric Chemistry Suite (ACS) netrukus po žiemos šalčio sublimacijos ankstyvą šiaurinį vasaros laikotarpį užfiksavo lokalizuotą HCl signalą. Tuo pačiu metu TGO CaSSIS kamera užfiksavo siaurus, šviežius plyšius ir paviršiaus spalvos pakitimus netoli dujų aptikimų. Suderinus orbitinę spektroskopiją ir aukštos raiškos vaizdus, mokslininkai gavo tiek atmosferinių, tiek geologinių įrodymų vertinimui.

Ši nuotrauka rodo Marso sritį, esančią Alba Monso šiaurinėse šlaituose. Baltos dėmės gali būti susidarę dėl nusėdimo aplink angas, iš kurių gali sklisti magminės dujos iš Marso gelmių. Vaizdas, užfiksuotas 2023-02-03, apima maždaug 20 km x 20 km plotą ir yra centre maždaug 64.6°Š/274.4°R. 

Ką komanda tikrino ir ką atmetė

HCl aptikimas yra viena, paaiškinti jį yra kita. Tyrimų grupė, kuriai vadovavo Alexander Trokhimovskiy ir bendrai vadovavo Daniel Mège, peržiūrėjo alternatyvias scenarijų eilutes. Ar dulkėta-atmosferinė chemija, skatinama dulkėmis ir vandeniu, galėtų paaiškinti šuolius? Marse sūrios dulkės ir garuojantis vanduo gali reaguoti ir sudaryti chloro junginius. Taip. Tačiau tokie globalūs procesai turėtų sukelti išsibarstytą, sezoninį HCl, susijusį su dulkėta veikla. Jie iš esmės negalėtų vėl suformuoti aštraus, erdviškai fiksuoto židinio, kuris įsijungia iš karto po vietinio šalčio praradimo.

Komanda taip pat svarstė fotochemines reakcijas, inicijuotas saulės ultravioletinės spinduliuotės, reakcijas ant apledėjusių paviršių ir transportą iš tolimų šaltinių. Erdvės sutapimas su šviežiais plyšiais, laiko sutapimas su vietine sublimacija ir pastebėtas nusidažymas aplink angas padarė požeminį kilmę paprasčiausiu paaiškinimu, atitinkančiu visus stebėjimus.

Kaip plyšiai, šerkšnas ir magmos galėtų veikti kartu

Įsivaizduokite seklų šiltos arba ištirpintos uolienos kišenę, užmigusią magmos kamerą arba iš dalies ištirpusią siltį. Per laiką ji išsiskiria dujomis: chlorą turinčios rūšys, vandens garai, sieros junginiai ir kiti migruoja aukštyn. Žiemą angos užšąla, kai nusėda šerkšnas ir sniegas. Dujos susikaupia apačioje. Atėjus pavasariui saulė sušildo paviršių, ledas tiesiogiai sublimuoja į garus ir mažos vėžės vėl atsiveria. Tada dujos išsiskiria į atmosferą trumpalaikiais pulseliais.

Žemėje fumarolės elgiasi panašiai, tik daug didesniu mastu. Marse tas pats mechanizmas, veikiantis mažesniais srautais, vis tiek gali palikti aiškius cheminius ir paviršiaus požymius: nusidažymą nuo druskų nuosėdų, naujus įtrūkimų tinklus ir sezoniškai laiku aptinkamus dujų išsiskyrimus, kuriuos gali užfiksuoti jautrūs orbitiniai spektrometrai.

Nauja chemija dulkėtame pasaulyje

Tyrimas taip pat pabrėžia platesnį Marso cheminį ciklą. Natris chloridas, užrakintas dulkių pavidalu, yra plačiai paplitęs Marse, tai senovinių sūrymų ir išgaravusių vandens telkinių likučiai. Vėjas pakelia tas sūrias dulkes į atmosferą. Kai kyla vandens garai, jie gali reaguoti su ore pakibusiomis druskomis ir atlaisvinti chloro atomus. Tie atomai tada susijungia su vandeniliu ir sudaro HCl. Rezultatas yra sudėtingas geologijos, klimato ir paviršiaus sudėties sąveikos žaidimas, galintis imituoti arba užmaskuoti požeminius signalus.

Ši grafinė schema aprašo galimą naują chemijos ciklą Marse po vandenilio chlorido aptikimo atmosferoje, kurį atliko ESA ir Roscosmos ExoMars Trace Gas Orbiter. NaCl druskos – senovinių vandenynų likučiai, įterpti į Marso dulkėtą paviršių – yra plačiai paplitusios. Vėjas pakelia šias sūrias dulkes į atmosferą. Saulės šviesa įšildo dulkėtą atmosferą, dėl to iš ledynų išsiskyrę vandens garai kyla aukštyn. Sūrios dulkės reaguoja su atmosferos vandeniu ir išlaisvina chlorą (Cl), kuris vėliau reaguoja su vandenilio turinčiomis molekulėmis (H) ir sukuria vandenilio chloridą (HCl). Panašus procesas vyksta ir Žemėje: jūros druska pakeliama į orą ir, sumaišius su vandens garais, chloras tampa prieinamas cheminėms reakcijoms, formuojančioms HCl. 

Pasekmės Marso šilumai ir gyvybingumui

Mes dar neturime tiesioginių įrodymų, kad Alba Mons dabar turi ištirpintą uolieną. Nėra pastebėta naujų lavos srautų. Marsinės seismometrai užfiksavo marskratus, o kraterių skaičiavimai bei mineralų žemėlapiai rodo, kad vulkaninė veikla galėjo vykti per pastaruosius kelis milijonus metų. Epizodinės vulkaninės dujos būtų stipresnis argumentas, kad Marsas išlaiko požemines šilumos kišenes.

Kodėl tai svarbu? Todėl, kad šiluma plius vanduo reiškia galimybes. Jei kylanti magma arba karšta uoliena susitinka su požeminiu ledu ar sūriais tirpalais, gali susidaryti lokalizuotos hidroterminės sistemos. Tokios aplinkos yra geriausios vietos gyvybei ieškoti, nes jos suteikia skystą vandenį, chemines maistines medžiagas ir energiją, taip pat apsaugą nuo griežtų paviršiaus radiacijos ir oksidacijos sąlygų.

Ekspertės įžvalga

Dr. Rachel Kim, planetų geochemičė, nedalyvavusi tyrime, komentavo: "Vienas pėdinis dujų aptikimas gali būti švyturys. Marse, kur procesai vyksta lėtai ir signalai yra silpni, pasikartojantys, lokalizuoti HCl aptikimai yra sunkiai atmetami. Spektroskopijos ir aukštos skiriamosios gebos vaizdavimo derinys yra galingas. Tai neįrodo aktyvios vulkanizmo be abejonės, bet perkelia požeminę šilumą iš spėlionių į testuojamą mokslą."

Misijos kontekstas ir tolesni žingsniai

TGO ir toliau stebi atmosferą ir paviršių, o ilgalaikės, kartojamos jo stebėsenos yra būtinos pergaudyti epizodinius reiškinius. Būsimi tyrimai derins papildomą orbitinį monitoringą su tikslingu aukštos raiškos vaizdavimu ir, galiausiai, vietiniais tyrimais. Landeris ar roveris, aprūpintas galimybe analizuoti dujų emisijas, mineralines druskas ir požeminę struktūrą, galėtų išspręsti klausimą, ar Alba Mons turi aktyvią ar neseniai aktyvią magminę sistemą.

Meninė ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) interpretacija, analizuojanti Marso atmosferą. Pavaizduotas saulės okliudacijos metodas: antžeminiai spektrometrai – ACS ir NOMAD – stebi, kaip saulės šviesa yra sugerta atmosferoje, atskleidžiant jos cheminius pirštų atspaudus.

Technologijos, kurios galėtų padėti, apima žemės paviršiaus praeinančio radarus požeminėms sąsajoms žemėlapiuoti, terminį žemėlapiavimą šilumos anomalijoms nustatyti ir mobilias masių spektrometras analizuoti angų nuosėdas. Tarptautinis bendradarbiavimas bus esminis: derinant spektrinį jautrumą, vaizdavimo raišką ir paviršiaus mėginių ėmimo galimybes galima gauti geriausią kelią į galutinį atsakymą.

Išvada

HCl aptikimai prie Alba Mons yra užuomina, o ne galutinis įrodymas. Jie primena, kad Marsas nėra sušalusi kapavietė, o sudėtingas pasaulis, kuriame geologija, klimatas ir chemija keičia vienas kitą netikėtais būdais. Jei po paviršiumi išlieka paslėptos šilumos kišenės, jos galėtų pakeisti mūsų požiūrį į Marso evoliuciją ir jo gebėjimą palaikyti gyvenamą aplinką požeminėse vietovėse.